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《阅读能力个体差异的神经机制研究进展》摘要

作者:薛红莉、薛贵  来源:今日语言学  时间:2017-09-22

  1.引言 

  在当今信息驱动的社会,阅读对于个体的生存和发展起着至关重要的作用。同时,在全球化的今天,掌握一种或多种外语也越来越普遍。语言是人类特有的技能,但语言能力的不同方面具有不同的进化和文化起源。例如,虽然口语是生物进化的结果,而阅读和书写却是近五千年来才产生的文化发明。相对于人类漫长的进化史,这个短暂的时间不足以让人类进化出特定的基因或者先天的神经网络负责文字加工。相反,阅读能力的获得和发展是一个渐进累积的过程,即在一定的遗传基础上,通过早期家庭的自发式学习,以及后期的系统教育和训练逐步掌握,最后在成人期进一步发展和完善。基于此,Dehaene等人(2007)的神经元再利用假说(“Theneuronal recycling hypothesis”)认为,文化的获得(如阅读)需要找到一系列负责该功能的神经回路(如视觉加工,物体识别),并在此基础上发展新的用途。人脑需要在多年的系统学习中,重新利用并塑造该网络的结构和功能来实现高效和自动化的阅读加工。

  虽然阅读能力的获得和发展在各个文化和群体中存在相似的规律,但不同个体之间的阅读能力差异却是广泛存在的。例如,有人可以快速有效地学会阅读多种语言,但是有人却存在阅读困难(如阅读障碍),尽管他们具有正常的智力、完整的神经结构以及相等的学习机会。此外,尽管大部分人能够流利地阅读母语,但在学习第二语言时却存在较大的困难。研究者经常发现,在阅读的行为表现(如阅读速度和正确性)以及阅读的神经机制上均存在不可忽略的个体差异,这种差异在学习和加工新语言的过程中尤为明显。这个领域的一个重要问题是,个体差异在阅读过程中的神经机制是怎样的?近年来磁共振技术的进步为探讨阅读能力个体差异提供了多种手段。利用这些手段,研究者们不仅能探讨传统任务状态下脑激活强度与阅读能力个体差异的关系,同时开始探讨脑灰质结构、脑白质结构与阅读能力个体差异的关系,以及多个脑区(皮层)功能连接与阅读能力个体差异的关系。

  2.阅读的认知神经机制 

  阅读加工包含多个认知成分和加工过程。Coltheart等人在1993年提出的阅读的双通路模型认为,阅读可经两条通路完成,即直接的语音提取通路和间接的拼读通路。在神经机制上,阅读也由一个广泛的神经网络来支持。采用功能磁共振技术(functionalmagnetic resonance imaging, fMRI),研究者发现了阅读中最重要的三个脑区(颞枕皮层、颞顶皮层和额下皮层)。与阅读的双通路模型对应,元分析的结果发现,拼读和语音提取也涉及两种不同的神经通路,拼读通路主要由颞上回,缘上回和前额叶鳃盖部负责;语音提取通路主要由颞下回,颞中回后部和额下回的三角区域负责。

  3.阅读能力个体差异的神经机制 

  近年来,已有研究证实了阅读能力个体差异与大脑多个神经指标之间的关系,如激活强度、灰质体积、白质完整性以及多个脑区(皮层)的功能连接,并且这种关系还受到不同文字系统特征的调节。在阅读能力与大脑激活水平的关系上,研究发现,大脑左侧阅读相关脑区(颞中回、额下回)的激活增强、右侧颞下皮层的激活下降与阅读能力有关。另外,采用事件相关电位(eventrelated potential, ERP)和fMRI 同时考察视觉词汇识别脑机制的研究发现,ERP的N1 波幅(被认为是特异于字形加工的成分)和左侧梭状回的活动与被试的阅读成绩存在正相关,即被试的阅读成绩越好,N1波幅越大,其在左侧梭状回的激活也越强。

  在阅读能力与大脑皮层厚度的关系上,研究发现负责形音转换区域(如颞顶区域)的皮层厚度与不规则词汇的阅读能力呈正相关,而中文阅读和书写相关脑区(左侧额中回)的灰质体积与中文的阅读能力有关。另有研究发现左侧梭状回中部的皮层厚度不仅与母语(表义文字)的阅读能力有关,也与第二语言(表音文字)的阅读成绩呈正相关,说明大脑灰质结构在不同语言的阅读能力中都起到重要作用。

  采用弥散张量成像(diffusion tensorimagine, DTI),以各向异性(fractional anisotropy,FA)为指标考察大脑白质特性的研究发现,左侧颞顶区域、额叶以及胼胝体的FA值都与阅读能力相关。此外,有研究比较了表音文字和表义文字的阅读能力与大脑白质连接的关系。一项研究在同一批被试身上比较了汉英双语者的阅读能力,结果发现左侧内囊前肢的弥散值与中文阅读能力有关,双侧放射冠的弥散值与英语阅读能力有关。另有研究比较以中文和英语为母语的两组被试后发现,母语阅读能力(无论中文还是英语)都与左侧阅读有关脑区的FA值有关,但位于上纵束中左侧颞叶部分的FA值对英语阅读能力的贡献大于中文,提示上纵束与表音文字的形音转换规则有关。

  大脑功能连接的研究发现,左侧颞顶区域与布洛卡区的连接强度与阅读能力呈正相关。近年来,研究者们开始关注静息状态下阅读相关脑区的连接与阅读能力的关系。研究发现,左侧枕下回和顶上小叶、左侧颞下回和顶下小叶、右侧梭状回和顶上小叶的静息功能连接强度与母语阅读能力呈正相关。静息态功能连接不仅与母语阅读能力有关,也与第二语言的阅读有关。其中,视觉分析区域(如双侧梭状回后部、外侧枕叶皮层和右侧顶上小叶)与语音加工脑区(如中央前回、中央后回和威尔尼克区)的静息态功能连接越强,被试母语和第二语言的阅读能力越强。

  4.建立个体神经水平差异与阅读能力的因果关系 

  可以看到,利用fMRI技术,研究者们发现有多个神经活动指标,包括任务状态下脑激活强度与功能连接,以及非任务状态下脑灰质结构、白质结构以及静息态功能连接均与阅读能力相关。这些研究大大加深了我们对阅读能力及其个体差异的认知神经机制的认识。但是上述研究主要是基于相关分析,因此不能为阅读能力的个体差异提供因果解释。由于大脑可塑性的存在,这些结果可能反映了大脑先前的结构和功能对阅读能力的制约,也可能反映了不同阅读过程对大脑结构和功能的塑造,以及两者的交互作用。因此,研究者们试图采用基因、追踪和训练研究的方法,以期建立个体神经水平差异与阅读能力之间的因果关系。

  行为遗传学大多以双生子群体为被试,能够从遗传和环境两个方面回答阅读能力个体差异的原因。一系列双生子行为遗传学的研究证实了阅读能力受到遗传因素的影响。在分子水平上探讨阅读能力个体差异的原因,最著名的便是对FOXP2基因的研究。研究者通过染色体组型分析在一个患有言语障碍的三代家族——KE家族中确定了FOXP2基因,后来的研究证实了FOXP2基因在词汇和语言形成中的作用。对于阅读能力的行为追踪研究发现,儿童早期的语音意识、快速阅读和语素意识能够预测后期的阅读能力。另有研究发现,相对于行为指标,结合脑的神经指标对阅读能力的预测作用更有效。此外,语言训练研究,尤其采用人工语言训练的研究表明,训练前的神经指标能够预测训练后的语言学习成绩。

  5.研究展望 

  对于阅读能力个体差异的神经机制,未来研究有望在如下几个方面取得更大的突破:首先,开展大样本研究,更加全面系统地探讨阅读能力各个成分的个体差异,及其认知和神经机制;其次,从发展的角度深入揭示阅读能力个体差异的遗传和环境机制,及其相应的神经基础;再次,开展阅读能力个体差异神经机制的跨文化研究,尤其是母语和第二语言之间的交互作用;最后,开展阅读能力干预训练的研究,在阅读能力的早期预测的基础上,重点开展基于脑的阅读能力干预训练研究,包括一些行为的干预方案,无损脑刺激的干预方案,脑机接口和神经反馈训练的方案以及神经药物的干预方案。

  参考文献选录

  Coltheart, M., K. Rastle, C. Perry, and M. Haller. 1993. Models of reading aloud: Dual-route and parallel-distributed-processing approaches. Psychological Review, 100(4): 589-608. 

  Dehaene, S. and L.Cohen. 2007. Cultural recycling of cortical maps. Neuron, 56(2): 384-398.  

  原文刊于《当代语言学》2016年第4期 

  第一作者简介

  薛红莉,博士,毕业于北京师范大学脑与认知科学研究院,认知神经科学与学习国家重点实验室,现为安徽师范大学教育科学学院讲师。主要研究兴趣为语言学习的认知神经机制。 

  

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